环境科学  2025, Vol. 46 Issue (4): 2547-2556   PDF    
引用本文
林小兵, 何检荣, 吴多基, 尧娟, 周利军, 彭君, 王斌强, 何绍浪, 黄尚书, 武琳, 吴建富. 粉葛对镉、砷和铅复合污染农田土壤的修复潜力[J]. 环境科学, 2025, 46(4): 2547-2556.
LIN Xiao-bing, HE Jian-rong, WU Duo-ji, YAO Juan, ZHOU Li-jun, PENG Jun, WANG Bin-qiang, HE Shao-lang, HUANG Shang-shu, WU Lin, WU Jian-fu. Remediation Potential of Pueraria thomsonii Benth. on Farmland Soil Contaminated by Cd, As, and Pb [J]. Environmental Science, 2025, 46(4): 2547-2556.
粉葛对镉、砷和铅复合污染农田土壤的修复潜力
林小兵1,2, 何检荣3, 吴多基1, 尧娟4, 周利军2, 彭君5, 王斌强2, 何绍浪2, 黄尚书2, 武琳2, 吴建富1     
1. 江西农业大学国土资源与环境学院, 南昌 330045;
2. 江西省红壤及种质资源研究所国家红壤改良工程技术研究中心/江西省受污染耕地安全利用工程研究中心, 南昌 331717;
3. 铅山县农业农村局, 铅山 334500;
4. 黎川县农业农村局, 黎川 344600;
5. 萍乡市农业科学研究中心, 萍乡 337000
收稿日期: 2024-04-09; 修订日期: 2024-05-30
基金项目: 井冈山农高区省级科技专项“揭榜挂帅”项目（20222-051245）；江西省自然科学基金项目（20212BAB215028）；江西省现代农业产业技术体系建设专项（JXARS-16）
作者简介: 林小兵（1992~）, 男, 博士研究生, 助理研究员, 主要研究方向为植物营养、土壤资源与环境生态, E-mail：linxiaobing14@mails.ucas.ac.cn
通信作者: 吴建富, E-mail：wjf6711@126.com
摘要: 为探究粉葛对镉（Cd）、砷（As）和铅（Pb）复合污染土壤的修复潜力, 通过大田试验研究了不同区域农田土壤Cd、As和Pb复合污染下粉葛（花叶葛和赣葛2号）的生长特性、富集特征及修复潜力. 结果表明, 粉葛整株生物量（干重）为4.58~12.45 t·hm-2, 其中花叶葛整株生物量高于赣葛2号. 粉葛各部位中ω（Cd）、ω（AS）和ω（Pb）范围分别为1.63~17.04、0.15~20.97和0.40~231.12 mg·kg-1；对Cd、As和Pb的积累量分别为14.01~109.06、4.10~27.59和49.97~305.69 g·hm-2；移除率分别为0.40%~2.57%、0.02%~0.08%和0.06%~0.09%；富集系数分别为0.09~13.12、0.01~0.38和0.01~0.76；转运系数分别为0.50~4.72、1.27~15.89和1.19~35.68. 其中, 花叶葛主藤中Cd、As和Pb含量及As积累量和移除率均显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 生物量主要集中在块根, 而重金属含量和积累量主要集中在茎秆和叶片. 相关分析表明, 土壤Cd含量与粉葛主藤和叶片中Cd含量均呈显著正相关（P < 0.05）；土壤Pb含量与粉葛各部位Pb含量呈显著正相关（P < 0.05）. 除湘东试验区花叶葛外, 粉葛经济部分——葛粉中重金属含量均低于药用植物的标准限值. 综上, 粉葛对Cd、As和Pb具有较强的吸收和转运能力, 花叶葛可作为重度Cd为主的复合污染土壤修复的潜力富集植物, 赣葛2号（用作葛粉）为轻中度Cd为主的复合污染土壤修复的潜力富集植物.
关键词: 重金属复合污染土壤      粉葛      土壤重金属移除率      富集特征      修复潜力     
Remediation Potential of Pueraria thomsonii Benth. on Farmland Soil Contaminated by Cd, As, and Pb
LIN Xiao-bing1,2 , HE Jian-rong3 , WU Duo-ji1 , YAO Juan4 , ZHOU Li-jun2 , PENG Jun5 , WANG Bin-qiang2 , HE Shao-lang2 , HUANG Shang-shu2 , WU Lin2 , WU Jian-fu1     
1. College of Land Resources and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China;
2. National Red Soil Improvement Engineering Technology Research Center/Jiangxi Engineering Research Center for Safe Utilization of Polluted Farmland, Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources, Nanchang 331717, China;
3. Yanshan Agricultural and Rural Bureau, Yanshan 334500, China;
4. Lichuan Agricultural and Rural Bureau, Lichuan 344600, China;
5. Agricultural Science Research Center of Pingxiang, Pingxiang 337000, China
Abstract: This study investigated the growth, enrichment characteristics, and remediation potential of Pueraria thomsonii Benth. ("Hua ye ge" and "Gan ge er hao") on cadmium (Cd), arsenic (As), and lead (Pb)-contaminated soils, the remediation potential of P. thomsonii in a large field experiment under different trial fields. The results showed that the whole plant biomass (dry weight) of P. thomsonii was 4.58-12.45 t·hm-2, and the biomass of "Hua ye ge" was higher than that of "Gan ge er hao." The contents of Cd, As, and Pb in different parts of P. thomsonii were 1.63-17.04, 0.15-20.97, and 0.40-231.12 mg·kg-1, respectively. The accumulations of Cd, As, and Pb of P. thomsonii were 14.01-109.06, 4.10-27.59, and 49.97-305.69 g·hm-2, respectively. The removal rates of Cd, As, and Pb of P. thomsonii were 0.40%-2.57%, 0.02%-0.08%, and 0.06%-0.09%, respectively. The bioconcentration factors of P. thomsonii for Cd, As, and Pb were 0.09-13.12, 0.01-0.38, and 0.01-0.76, respectively, and the translocation factors were 0.50-4.72, 1.27-15.89, and 1.19-35.68, respectively. Among them, the contents of Cd, As, and Pb in the main vine and the As accumulation and removal rate of "Hua ye ge" were all significantly higher than that of "Gan ge er hao" (P < 0.05). The biomass was mainly concentrated in the tuber, while the heavy metal content and accumulation was mainly concentrated in the stem and leaf. Correlation analysis showed a significant positive correlation between soil Cd content and Cd content in the main vine and leaf of P. thomsonii (P < 0.05). A significant positive correlation was observed between soil Pb content and Pb content in all parts of P. thomsonii (P < 0.05). Except for "Hua ye ge" in Xiangdong, the content of heavy metals in the commercial P. thomsonii portion (arrowroot) was lower than the standard limit for medicinal plants. In summary, the P. thomsonii showed strong absorption and transport capacity for Cd, As, and Pb. "Hua ye ge" was selected as a potential enrichment plant source for the remediation of severe Cd-based combined contaminated soil. Additionally, "Gan ge er hao" (used as Pueraria powder) was selected as a potential enrichment plant for the remediation of mild and moderate Cd-contaminated soil.
Key words: heavy metal combined pollution soils      Pueraria thomsonii Benth.      soil heavy metal removal rate      enrichment characteristics      remediation potential     

由于矿产开采及冶炼、化工生产、大气沉降和污水灌溉以及不合理的化肥农药施用等导致重金属在农田土壤中不断富集[1,2]. 据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示, 镉（Cd）、砷（As）和铅（Pb）是我国耕地土壤首要的重金属污染物, 其点位超标率分别为7.0%、2.7%和1.5%[3]. 《2021中国生态环境状况公报》报道重金属仍是影响农用地土壤环境质量的主要污染物[4]. 土壤重金属如Cd、As和Pb等可通过食物链的生物富集作用进入人体, 并危害人体健康[5,6]. 自然界中的重金属往往以复合形式存在[7], 且在复合污染条件下可能会增强重金属对生物体的危害和毒性[8]. 同时重金属Cd和As在土壤中往往呈现相反的活性[9], 进一步加大了Cd和As复合污染土壤修复的治理难度. 因此, 寻找合适的农田复合污染修复方法对农业可持续发展具有重要意义.

粉葛（Pueraria thornsonii Benth.）为豆科葛属植物, 多年生落叶藤本植物[10], 主产于广西、江西、广东、湖南和四川等地[11], 素有“南葛北参”的美称, 富含多糖、淀粉和异黄酮类等化合物, 也是我国传统的药食同源植物[12,13], 其营养和药用价值极高[14]. 葛叶还可被用作牛羊饲料, 葛藤可用于织物和造纸等[15], 另外, 粉葛具有水土保持等生态作用[16]. 江西种葛历史悠久, 种植特别是加工技术成熟, 也是我国粉葛种植主产区之一, 据统计江西省粉葛人工种植面积已达3万余亩[17].

植物修复是一项新兴的能源节约型和环境友好型生态修复技术[18], 但目前已筛选出的超富集植物存在经济价值低、生物量低、生长缓慢和地域分布狭窄等问题[19], 严重限制了植物修复的发展. 寻找应用价值高、易成活、生长迅速且适应性强特别是复合污染土壤的超富集植物[20], 才是植物修复土壤重金属新的突破口. 本团队前期研究表明, 粉葛属于典型的Cd富集植物, 对重金属Cd呈现出很强的吸收、转运积累能力以及耐受性[21,22], 同时具有生物量大、经济价值高等特征[21,22], 对于修复Cd污染土壤具有重要的应用前景. 但粉葛主要集中在单一重金属Cd的研究, 而对多种重金属特别是Cd、As和Pb复合污染土壤修复的相关研究鲜见报道. 为此, 本文将在不同区域Cd、As和Pb复合污染土壤上开展大田试验, 探讨不同粉葛品种（花叶葛和赣葛2号）对重金属Cd、As和Pb的吸收、转运和富集特征及其对复合污染土壤的修复潜力, 以期为今后复合污染土壤植物修复提供理论基础和数据支撑.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验地1位于江西省上饶市铅山县陈坊镇万年村附近（28°04′25″ N, 117°33′46″E）, 以下简称铅山试验区, 属中亚热带温湿型气候, 年均气温18.4℃, 年均降水量1 900.0 mm. 研究地2位于江西省萍乡市湘东区湘东镇美健村附近（27°39′30″N, 113°42′24″E）, 以下简称湘东试验区, 属亚热带季风气候, 年均气温17.2 ℃, 年均降雨量1 576.7 mm. 试验地3位于江西省赣州市南康区赤土畲族乡红桃村附近（25°38′24″ N, 114°32′49″E）, 以下简称南康试验区, 属中亚热带季风湿润气候, 年均气温19.3 ℃, 年均降雨量1 443.2 mm. 试验前土壤基本化学性质和重金属含量见表 1.

表 1 不同研究区试验前土壤基本化学性质和重金属含量 Table 1 Basic chemical properties and heavy metal content of soils before remediation under different trial fields

依据国家土壤环境质量标准农用地土壤污染风险筛选值[23][当pH≤5.5时, ω（Cd）≤0.30 mg·kg-1, ω（AS）≤30.00 mg·kg-1, ω（Pb）≤80.00 mg·kg-1；当5.5 < pH≤6.5时, ω（Cd）≤0.40 mg·kg-1, ω（AS）≤30.00 mg·kg-1, ω（Pb）≤100.00 mg·kg-1], 铅山试验区供试土壤为镉砷铅复合污染, 其Cd、As和Pb含量分别为筛选值的4.37、1.95和4.23倍；湘东试验区供试土壤为单一镉污染, 其Cd、As和Pb含量分别为筛选值的36.03、0.52和0.58倍；南康试验区供试土壤为镉铅复合污染, 其Cd、As和Pb含量分别为筛选值的11.03、0.56和2.22倍（表 1）.

1.2 试验设计

供试粉葛品种为“赣葛2号”和“花叶葛”, 由江西绿色生态葛研究所苗圃基地培育和提供. 铅山、湘东和南康试验区粉葛种植面积分别为0.27、0.13和0.13 hm2, 其中铅山和湘东试验区种植赣葛2号和花叶葛两个品种, 随机区组分布, 3次重复, 南康试验区仅种植赣葛2号. 采用传统的人工起垄, 垄宽、垄高和沟宽分别为90、40和60 cm, 株距40 cm, 种植密度约为1.8×104株·hm-2. 于2022年4月移栽, 12月收获, 生长期240 d左右. 基肥施45%硫酸钾复合肥（N-P2O5-K2O为15%-15%-15%）2 400 kg·hm-2, 其他管理措施保持一致.

1.3 样品采集与分析

粉葛植株样品于2022年12月底（收获期）进行采集. 按“S”型布点采样, 每个粉葛品种按小区处理采集长势相对一致的5株作为一个粉葛混合样, 每个品种重复3次. 每株粉葛植株分为：块根、葛头、主藤、侧枝和叶片这5个部位[21], 带回实验室进行烘干和称重, 采集植株样品的同时相应采集土壤. 粉葛各部位中Cd、As和Pb含量均参考食品安全国家标准食品中多元素的测定方法（GB 5009.268-2016）[24], 并采用电感耦合等离子体光谱仪（iCAP-RQ, USA）测定, 检出限分别为0.002、0.002和0.02 mg·kg-1. 土壤Cd和Pb采用电感耦合等离子体发射光谱法测定, 检出限分别为0. 025和0.185 mg·kg-1, 土壤As采用原子荧光光谱法（原子荧光光度计AF-640A）测定, 检测限为0.01mg·kg-1. 检测中设置空白对照, 并使用国家标准物质[植株标准物质为GBW10052、GBW10047和GBW10020；土壤标准物质为GBW07362（GSD-19）、GBW07364（GSD-21）、GBW07358（GSD-15）和GBW07379（GSD-28）]进行质量控制, 测定样品中Cd回收率为92.2%~102.6%, As回收率为96.8%~100.5%, Pb回收率为96.5%~102.8%, 满足检测的要求, 用于样品消解和测试的化学试剂均为优级纯.

1.4 数据处理

采用R语言统计软件分析数据, LSD多重比较法进行显著性分析, 显著性水平为P < 0.05, 文中所有制图通过R语言ggplot2完成. 富集系数（BCF）、转运系数（TF）和重金属积累量参考文献[25]的方法, 移除率参考文献[26]的方法. BCF[25]=粉葛各部位中重金属含量/土壤中重金属含量；TF[25]=粉葛地上各部位中重金属含量/粉葛地下部位中重金属含量；重金属积累量[26]＝粉葛各部位中重金属含量×相应粉葛各部分的干重. 移除率[26]（%）=每hm2粉葛中重金属积累量/每hm2表层土壤中重金属含量.

2 结果与分析 2.1 重金属复合污染对粉葛生物量的影响

本试验条件下粉葛能在Cd、As和Pb复合污染土壤生长良好, 叶片舒展, 叶色发绿, 未出现肉眼可见的叶缘发黄、叶片凋落死亡等重金属中毒现象. 不同试验区粉葛各部位生物量（干质量）见表 2, 其中铅山、湘东和南康试验区粉葛整株生物量分别为4.52~4.58、11.89~12.45和6.11 t·hm-2, 铅山和湘东供试品种间差异不显著（P > 0.05）. 总体上, 花叶葛块根、葛头、叶片和整株生物量均高于赣葛2号. 表 2还可以看出, 收获期供试2个粉葛品种不同部位的生物量均表现为块根显著高于其他部位（P < 0.05）.

表 2 不同试验区粉葛各部位生物量（干重）1）/t·hm-2 Table 2 Biomass (dry weight) of different parts of P. thomsonii under different trial fields/t·hm-2

2.2 重金属复合污染下粉葛各部位中Cd、As和Pb含量

不同试验区粉葛块根、葛头、主藤、侧枝和叶片中ω（Cd）分别为1.63~4.46、1.65~7.56、3.83~12.42、4.32~7.43和4.09~17.04 mg·kg-1（表 3）. 在铅山试验区, 花叶葛块根、葛头、主藤、侧枝和叶片中Cd含量均高于赣葛2号, 其中花叶葛主藤中Cd含量显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 在湘东试验区, 花叶葛块根、葛头、主藤、侧枝和叶片中Cd含量也均高于赣葛2号, 其中花叶葛葛头和主藤中Cd含量显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 表 3中还可以看出, 粉葛地上部Cd含量高于粉葛地下部（块根）, 其中叶片中Cd含量显著高于块根（P < 0.05）.

表 3 不同试验区粉葛各部位Cd含量/mg·kg-1 Table 3 Cd content of different parts of P. thomsonii under different trial fields/mg·kg-1

不同试验区粉葛块根、葛头、主藤、侧枝和叶片中ω（As）分别为0.15~1.47、0.20~2.60、0.22~6.52、0.26~6.34和2.32~20.97 mg·kg-1（表 4）. 在铅山试验区, 花叶葛葛头、主藤、侧枝和叶片中As含量均显著高于赣葛2号（P < 0.05）；在湘东试验区, 花叶葛葛头和主藤中As含量均显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 表 4中还可以看出, 粉葛地上部As含量均高于粉葛地下部（块根）, 且叶片中As含量均显著高于粉葛其他部位（P < 0.05）.

表 4 不同试验区粉葛各部位As含量/mg·kg-1 Table 4 As content of different parts of P. thomsonii under different trial fields/mg·kg-1

不同试验区粉葛块根、葛头、主藤、侧枝和叶片中ω（Pb）分别为0.40~33.98、0.53~44.67、1.99~53.92、1.82~42.50和14.55~231.12 mg·kg-1（表 5）. 在铅山试验区, 花叶葛块根和主藤中Pb含量均显著高于赣葛2号（P < 0.05）；在湘东试验区, 花叶葛主藤和侧枝中Pb含量均显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 表 5中还可以看出, 粉葛地上部Pb含量均高于粉葛地下部（块根）, 其中叶片中Pb含量显著高于粉葛其他部位（P < 0.05）.

表 5 不同试验区粉葛各部位Pb含量/mg·kg-1 Table 5 Pb content of different parts of P. thomsonii under different trial fields/mg·kg-1

2.3 重金属复合污染下葛粉中Cd、As和Pb含量

由图 1可以看出, 在铅山试验区, 葛粉中ω（Cd）、ω（As）和ω（Pb）分别为0.22~0.25、0.26~0.27和3.19~ 4.25 mg·kg-1；在湘东试验区, 葛粉中ω（Cd）、ω（As）和ω（Pb）分别为0.29~0.35、0.03~0.04和0.06~0.07 mg·kg-1；在南康试验区, 葛粉中ω（Cd）、ω（As）和ω（Pb）分别为0.28、0.10和1.72 mg·kg-1. 参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》（WM/T 2-2004）[27]中限量标准[ω（Cd）≤0.3 mg·kg-1、ω（As）≤2.0 mg·kg-1和ω（Pb）≤5.0 mg·kg-1], 除湘东试验区花叶葛葛粉中Cd外, 其他试验区各品种葛粉中重金属均未超过标准限值. 说明在轻中度重金属复合污染土壤上种植粉葛能实现复合污染土壤的安全利用以及获取粉葛的药用和经济价值.

葛粉主要为块根淀粉, 将粉葛块根切碎、打浆和水洗沉淀后, 经晒干或烘干所得的淀粉为葛粉, 可食用, 具有一定经济价值；不同小写字母表示同一试验区不同品种间差异显著（P < 0.05）, 下同 图 1 不同试验区葛粉中Cd、As和Pb含量 Fig. 1 Contents of Cd, As, and Pb in Pueraria power under different trial fields

2.4 重金属复合污染下粉葛各部位Cd、As和Pb的富集及转运系数

由表 6可知, 在复合污染土壤中, 粉葛对重金属Cd、As和Pb的富集能力各不相同. 在铅山试验区, 粉葛对土壤Cd、As和Pb的富集系数分别为2.51~13.12、0.02~0.38和0.09~0.76, 其中, 花叶葛主藤对土壤Cd的富集系数显著高于赣葛2号（P < 0.05）；花叶葛主藤、侧枝和叶片对土壤As的富集系数均显著高于赣葛2号[图 1（b）, P < 0.05]. 在湘东试验区, 粉葛对土壤Cd、As和Pb的富集系数分别为0.09~1.11、0.01~0.24和0.01~0.26, 其中, 花叶葛葛头对土壤Cd的富集系数显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 在南康试验区, 粉葛对土壤Cd、As和Pb的富集系数分别为1.62~3.72、0.01~0.18和0.05~0.57. 粉葛不同部位对重金属Cd、As和Pb也表现出不同的富集能力（表 6）, 总体上, 粉葛地上部对重金属Cd、As和Pb的富集系数高于粉葛地下部（块根）, 其中叶片对重金属的富集系数高于其他部位. 表 6中还可以看出, 粉葛对重金属Cd的富集能力远高于Pb和As, 是典型的Cd富集植物.

表 6 不同试验区粉葛对Cd、As和Pb的富集系数 Table 6 Bioconcentration factor of Cd, As, and Pb in P. thomsonii under different trial fields

在铅山试验区, 粉葛对Cd、As和Pb的转运系数分别为1.78~4.45、1.28~14.51和1.22~6.82, 其中, 花叶葛主藤对Cd的转运系数显著高于赣葛2号（P < 0.05）；花叶葛葛头、主藤、侧枝和叶片对As的转运系数均显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 在湘东试验区, 粉葛对Cd、As和Pb的转运系数分别为0.50~4.72、1.28~15.89和1.31~35.68, 其中, 花叶葛主藤对As的转运系数均显著高于赣葛2号（P < 0.05）. 在南康试验区, 粉葛对Cd、As和Pb的转运系数分别为1.22~2.41、1.28~5.56和1.19~10.48. 粉葛不同部位对重金属Cd、As和Pb的转运能力不同, 总体上, 叶片对重金属As和Pb的转运系数显著高于其他部位（P < 0.05）, 而粉葛不同部位对重金属Cd的转运系数因不同试验区而不同. 从表 7中可以看出, 粉葛对As和Pb的转运系数要高于Cd, 表现出较强的吸收和转运能力, 能将粉葛根部吸收的As和Pb大量地转运到地上部的茎秆和叶片中.

表 7 不同试验区粉葛对Cd、As和Pb的转运系数 Table 7 Translocation factor of Cd, As, and Pb in P. thomsonii under different trial fields

2.5 相关性分析

相关分析表明（表 8）, 土壤Cd含量与主藤和叶片中Cd含量均呈显著正相关（P < 0.05）；土壤Pb含量与块根、葛头、主藤、侧枝和叶片中Pb含量均呈显著正相关（P < 0.05）. 说明随着土壤重金属Cd和Pb含量的增加, 粉葛植株中Cd和Pb含量也随之增加, 但粉葛植株中As含量受土壤As含量影响较小.

表 8 粉葛不同部位中重金属含量与土壤对应重金属含量之间的相关性分析1） Table 8 Correlation analysis between heavy metal content of different parts in P. thomsonii and corresponding heavy metal content in soil

相关分析表明（表 9）, 土壤Cd含量与粉葛各部位Cd富集系数及葛头对Cd转运系数呈显著负相关, 而与叶片Cd转运系数呈显著正相关. 土壤As含量与侧枝As转运系数呈显著正相关, 而与粉葛其他部位富集系数和转运系数相关性较弱. 土壤Pb含量与块根、葛头和主藤Pb富集系数呈显著正相关, 而与主藤、侧枝和叶片Pb转运系数呈显著负相关. 总体上, 粉葛对Cd的富集能力随土壤Cd含量的增加而降低, 但粉葛对Pb的富集能力随土壤Pb含量的增加而增加, 而受As的影响较小；粉葛对Pb的转运能力随土壤Pb含量的增加而降低, 而粉葛叶片对Cd的转运能力随土壤Cd含量的增加而增加, 粉葛侧枝对As的转运能力随土壤As含量的增加而增加.

表 9 土壤重金属Cd、As和Pb含量与粉葛不同部位富集系数的相关性分析 Table 9 Correlation analysis between soil Cd, As, and Pb content and bioconcentration factor and translocation factor of different parts in P. thomsonii

2.6 重金属复合污染下粉葛对镉、砷、铅的积累量及移除率

在铅山试验区, 粉葛对Cd、As和Pb的积累量分别为14.01~20.85、14.89~27.59和260.95~305.69 g·hm-2；与赣葛2号比, 花叶葛对Cd和Pb的积累量分别增加了48.82%和17.15%, 但差异不显著；而对As的积累量显著高于赣葛2号[图 2（b）, P < 0.05]. 在湘东试验区, 粉葛对Cd、As和Pb的积累量分别为86.05~109.06、8.19~10.98和49.97~59.15 g·hm-2；花叶葛对Cd和As的积累量均显著高于赣葛2号（图 2, P < 0.05）, 花叶葛对Pb的积累量高于赣葛2号, 但差异不显著. 在南康试验区, 粉葛对Cd、As和Pb的积累量分别为34.40、4.10和206.42 g·hm-2.

图 2 不同试验区粉葛对Cd、As和Pb的积累量 Fig. 2 Accumulation of Cd, As, and Pb in P. thomsonii under different trial fields

在铅山试验区, 粉葛对土壤Cd、As和Pb的移除率分别为1.79%~2.57%、0.02%~0.04%和0.07%~0.09%；花叶葛对土壤As的移除率显著高于赣葛2号[图 3（b）, P < 0.05]. 在湘东试验区, 粉葛对土壤Cd、As和Pb的移除率分别为0.40%~0.60%、0.05%~0.08%和0.06%~0.08%；与赣葛2号比, 花叶葛对土壤As的移除率也显著高于赣葛2号[图 3（b）, P < 0.05]. 在南康试验区, 粉葛对土壤Cd、As和Pb的移除率分别为1.37%、0.03%和0.08%.

图 3 不同试验区粉葛对Cd、As和Pb的移除率 Fig. 3 Removal rate of Cd, As, and Pb in P. thomsonii under different trial fields

多点试验结果表明, 粉葛对土壤Cd的去除效果较好, 同时还可以带走土壤中部分As和Pb等重金属, 且还可通过提取葛粉创造一定的经济收益, 适合于大面积以Cd污染修复为主的农田种植.

3 讨论

富集系数和转运系数大于1被认为是选择超富集植物的两个关键标准[28], 理想的超富集植物能够较好地将根部吸收的重金属转移至地上部[29]. 本研究发现粉葛植株中ω（Cd）最高可达17.04 mg·kg-1, 除湘东试验区外, 粉葛对Cd的富集系数和转运系数均大于1, 可以判定粉葛是极具潜力的Cd富集优势植物. 同时发现粉葛对As和Pb的转运系数均大于1, 说明粉葛地上部分对As和Pb具有较高的吸收转运能力, 能较好地将根部中As和Pb转运到地上部. 重金属在粉葛中的富集特征大小表现为：Cd > Pb > As, 说明粉葛为典型的Cd富集植物. 有研究发现, 向日葵[30]、地被竹[31]、菊芋[32]和三七[33]等均表现出对Cd的富集能力远高于其他重金属, 说明大部分植物对重金属具有选择性吸收. 虽然粉葛没有达到超富集植物如龙葵[34]和藿香蓟[35]等的标准, 但粉葛仍能积累大量的重金属, 适应性强、生物量较大且具有经济价值等优点, 表现出了良好的重金属复合污染土壤的修复潜力. 本试验中粉葛对土壤Cd的富集系数均大于已知植物修复中的龙葵、万寿菊和羽叶鬼针草等[36]. 在中度污染[ω（Cd）为1.31~3.31 mg·kg-1]条件下, 粉葛对Cd的移除率为1.37%~2.57%, 高于地肤[25]和商陆等[37]富集植物, 且收获的葛粉均符合食品安全[27], 利用粉葛（用作葛粉）来修复重金属污染农田, 既可以有效移除土壤中重金属, 又能带来良好的经济收益, 提高人们对土壤修复积极性.

粉葛不同部位对重金属的吸收、转运和富集能力也不同, 总体上Cd、As和Pb含量主要集中在粉葛茎秆和叶片部分, 而地下部分——根部中重金属含量较低. 土壤中重金属被粉葛根系吸收后, 首先在块根和葛头中积累, 然后被转运到地上部位. 粉葛较高的转运系数（1.19~35.68）也说明被粉葛根系吸收的重金属, 大量被转运到粉葛地上部位, 强大的木质部装载能力提高了重金属从根部到地上部的转运效率[38], 粉葛地上部位也有可能受到大气沉降影响, 增加其重金属含量[39]. Zhang等[41]研究表明, 东南景天茎和叶细胞壁中富含羧基, 能有效络合重金属Cd, 增加其地上部Cd含量. 试验还发现花叶葛对重金属的转运、吸收能力均明显高于赣葛2号, 特别是重金属As. 也有研究发现玉米[41]、小麦[42]和大豆[43]等同一物种不同品种间对重金属吸收、转运和富集均存在显著性差异. 寇士伟等[44]试验发现Cd-Pb-Cu复合污染会降低芥菜生物量；本试验中粉葛生物量为4.52~12.45 t·hm-2, 不同试验区生物量差异较大, 分析其原因可能与供试土壤化学性质和气候等因素有关, 特别是江西2022年气候干燥炎热, 粉葛生长期较同期雨水极少, 极大地限制了粉葛生长.

以往对植物修复的重点在修复效果上, 而忽视了修复后植物废弃物的处理[32], 目前主要通过焚烧法、堆肥法和高温分解法等方法处置[45,46]. 本研究中粉葛废弃物还可以通过以下途径实现粉葛资源化利用[21]：秸秆回收利用制造纸板等产品；经过生物发酵降解等肥料还田；超标严重的块根可用于酒精酿造. 针对重度Cd污染（如矿区周边）土壤, 以生物移除为目的, 可以通过选育高积累品种（如花叶葛）, 添加活化剂来促进粉葛对Cd的吸收和富集, 或农艺措施（如研究不同时期收割）来提高修复效率, 缩短修复年限. 针对中低Cd污染土壤, 可以通过选育低积累品种（如赣葛2号）, 采取有机肥培肥、土壤调酸降Cd等[47]提高粉葛生物量和降低块根中Cd含量, 实现粉葛种植兼土壤修复的双赢模式. 综合来看, 利用粉葛修复以Cd为主的复合污染具有较好的应用前景, 今后还应从经济、环境和社会效益等方面探讨粉葛在重金属复合污染土壤修复的应用潜力.

4 结论

（1）粉葛对重金属复合污染的吸收、转运和富集具有选择性, 重金属在粉葛中的富集特征表现为：Cd > Pb > As, 对Cd移除率为0.40%~2.57%, 对Cd具有较好的修复效果；粉葛各部位中As和Pb转运系数均 > 1, 粉葛对As和Pb具有较强的吸收和转运能力.

（2）重金属Cd、Pb和As在粉葛各部分中的累积规律大小为：叶片 > 茎秆 > 块根. 除湘东试验区花叶葛外, 粉葛经济部分——葛粉中重金属含量均低于药用植物的标准限值, 可以实现“边生产、边修复”的双重目标.

（3）粉葛植株Pb含量及富集能力随土壤Pb含量的增加而增加；粉葛植株Cd含量随土壤Cd含量的增加而增加, 而富集能力随土壤Cd含量的增加而降低；粉葛As含量及富集能力受土壤As含量的影响较小.

（4）花叶葛主藤中Cd、As和Pb含量及As的积累量和移除率均显著高于赣葛2号. 花叶葛可作为重度Cd为主的复合污染土壤修复的潜力植物, 赣葛2号（用作葛粉）可作为轻中、度Cd为主的复合污染土壤修复的潜力植物.

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